冻融作用后混凝土力学性能的衰减规律(已打...

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第29卷第1期建 筑 结 构 学 报V o l 29,N o 12008年2月Jour nal of Bu il d i n g S tructuresF eb 2008文章编号:1000-6869(2008)01-0117-07冻融作用后混凝土力学性能的衰减规律邹超英,赵 娟,梁 锋,罗健林,徐天水(哈尔滨工业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨150090)摘要:开展了混凝土在冻融作用后各项基本力学性能衰减规律的试验研究,包括冻融作用对混凝土受压应力-应变关系、劈裂抗拉性能、抗重复荷载性能的损伤影响,并根据工程中结构构件的实际工作状态,进行了压应力与冻融循环双重因子作用下混凝土的抗冻性能及力学性能衰减规律的研究。

试验现象表明:随着冻融循环次数的增多,混凝土轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗重复荷载性能等力学性能指标的下降程度均逐渐加大,并根据试验结果得出了混凝土上述各项力学性能指标随冻融作用的退化规律,建立了与冻融参数相关的退化计算公式。

通过试验研究还发现:混凝土在承载状态下,冻融作用对其损伤影响将加剧,混凝土承载能力的衰减幅度较单一冻融作用更显著。

本文研究可为建立符合实际工程的混凝土结构抗冻耐久性设计理论提供基础资料。

关键词:混凝土;冻融作用;试验研究;损伤;力学性能中图分类号:TU528 1 TU 502 6 文献标识码:ADegradati on ofmechanical properties ofconcrete caused by freeze -tha w actionZ OU Chaoy i ng ,Z HAO Juan ,L I ANG Feng ,LUO Ji anlin ,XU T ianshui(Schoo l of C i v il Eng i neeri ng ,H ar b i n Institute of T echnology ,Harbi n 150090,Chi na)Abstract :A series of e xperm i ental studies ofm ec han i cal properties of concrete after freeze -tha w action have been conducte d .T hese researches i nvo l ved the da m age caused by freeze -tha w act i on on co m pressi ve stress -strai n relat i onshi p ,splitti ng stre ngth and mec hanical behav i or under repetitive l oad action .M oreover ,accordi ng to beari ng state o fm e mbers i n actual eng i neeri ng ,w e also i nvestigated the da mage of fr ost -resisting and mec hanical pr operties of concrete suffering fro m dua l actions o f co mpressi ve stress and freeze -tha w cycles .Experm i e nt i nd i cates that due to repeat freeze -t ha w cycles ,degradati on o f m echanical properties ,includ i ng co mpression strength ,splitti ng strength and repeated l oad -resistant pr operty so on ,ism ore serious ,t he n degradation patter ns c orrelated w ith freeze -tha w para m eters of m echanical properties are found .M eanwhile a conclusi on has been dra wn that when beari ng state of concrete is considered ,the da mage caused by freeze -tha w acti on is aggravated ,and the degradation is more si gn ificant than that under si ngle freeze -t ha w acti on .Th is study m ay serve as a refere nce to establish fr ost -resisti ng dur ab ility design theory of concrete str ucture .K ey wor ds :concrete ;freeze -tha w action ;tests ;da mage ;m echanical property基金项目:国家自然科学基金资助项目(50278025)。

作者简介:邹超英(1958 ),男,黑龙江哈尔滨人,教授。

收稿日期:2006年6月0 前言近半个世纪以来,国内外大量混凝土结构工程出现了因耐久性不足而过早失效甚至彻底损坏的现象,耐久性问题已经成为全世界工程界普遍关注的研究热点。

对于全球面积广阔的寒冷地区而言,冻融作用无疑是导致这些区域混凝土结构性能损伤的主要因素。

上世纪30年代至70年代间,混凝土冻融破坏机理假说被相继提出,其中最为著名的包括Po wers 提出的静水压假说[1],以及Po w ers 与H el m uth 通过试验联合提出的渗透压假说[2],这些假说很大程度上指导并推动了混凝土材料抗冻耐久性的研究。

目前,各国学者针对冻融作用导117致混凝土损伤的机理研究仍在深入开展,并且在一定层面内取得了共识,普遍认识到暴露在冻融环境中的混凝土结构将发生材料性能和力学性能的衰退以及使用寿命的缩减[3]。

然而,以往的研究重心主要集中于冻融作用对混凝土材料性能的影响,较少对混凝土力学性能随冻融作用的退化规律进行系统的研究。

本文通过开展冻融作用后混凝土力学性能退化规律的试验研究,旨在探讨冻融环境中混凝土材料的工作机理,并为建立相应的计算模式提供基础资料。

1 冻融作用后混凝土受压应力-应变关系1 1 试验概况[4-5]试验过程包括混凝土试件的制备、快速冻融试验、扫描电镜试验以及单轴受压试验4个环节。

1 1 1 试件设计为研究不同冻融循环次数作用后混凝土受压应力-应变关系的变化规律,共制备6组18个混凝土棱柱体试件,尺寸为100mm 100mm 400mm,分别对其进行n= 0次、100次、150次、200次、250次、300次快速冻融循环试验,相应试件组编号依次为C(0)、C(100)、C(150)、C(200)、C(250)、C(300)。

另外制作4组共12个100mm 100mm 100mm立方体试件用于测定混凝土立方体抗压强度及扫描电镜观测试验。

1 12 试件原材料及制备混凝土配合比见表1,其中水胶比与砂率分别为0 38和0 39,水泥选用了哈尔滨水泥厂出品的早强型普通硅酸盐水泥(P O42 5R),并掺入少量的硅灰及粉煤灰用于改善混凝土内部显微结构。

混凝土配制过程中加入了适量高效减水剂,从而有效地控制了新拌混凝土良好的工作性,掺入0 025%引气剂,实测到新拌混凝土的含气量达5 6%,确保成熟后的混凝土具有优良的抗冻性能。

28天龄期后测得混凝土立方体抗压强度为50M Pa,验证了所制备混凝土达到了高性能混凝土的强度标准。

表1 混凝土配合比Tab l e1 M i x t u re propo rti o n水胶比胶凝材料/kg m-3水泥粉煤灰硅灰水kg m-3砂kg m-3碎石kg m-30 38325301514074111591 1 3 试验过程依据 普通混凝土长期性能和耐久性试验方法 (GBJ82 85)中快冻法试验制度,对各组试件分别进行0次、100次、150次、200次、250次、300次冻融循环。

每组棱柱体试件另伴随1个100mm 100mm 100mm立方体试件同时进行冻融试验。

在完成设定的冻融循环次数后,从立方体试件中取样进行扫描电镜观测。

最后对冻融作用后的各组试件进行单轴受压试验,得到应力-应变试验曲线。

1 1 4 试验量测快速冻融试验过程中,每隔50次冻融循环对各组试件进行一次横向基频测量,由此计算得到相应的动弹性模量,并检查试件外部损伤,记录试件的重量变化。

为能够完整量测到混凝土应力-应变全过程试验曲线的下降段,采用试验机附加刚性元件的方法,当试件应力达到峰值并开始卸载时,刚性元件可以协助吸收试验机快速释放的应变能,避免试件被瞬间压溃,从而得到完整的应力-应变全试验曲线。

1 2 试验现象随着冻融循环次数的增加,用肉眼即可观察到试件表观的损伤情况。

首先,试件原本光滑的水泥砂浆表层逐渐变得粗糙,细骨料外露,进而部分表面起皮剥落,直至整个试件表层酥松脱落,露出粗大的骨料,部分棱角掉落。

通过扫描电镜观察各组伴随试件,可清晰地观测到冻融作用导致混凝土内部显微结构的损伤过程,未冻融试件混凝土内部气孔大小适中,分布均匀,经过300次冻融循环后,气孔间出现明显的网状裂缝。

单轴受压试验中,随着试验荷载逐渐加大,试件经历了弹性变形、裂缝出现、裂缝发展直至试件破坏等阶段。

剖开破坏后的试件,发现破坏均沿水泥石与骨料的界面过渡区以及水泥石内部发生,粗骨料本身并未出现破坏现象。

1 3 试验结果及分析1 3 1 冻融性能参数随着冻融循环次数增加,各组试件的重量损失率和相对动弹性模量损失率均随之增大,而其中相对动弹性模量损失率比较容易实现无破损检测,且对混凝土内部结构损伤更为敏感,故选用其作为力学性能分析的冻融性能参数。

通过对各组试件在设定冻融循环次数后的相对动弹性模量损失率进行回归分析,拟合出相对动弹性模量损失率与冻融循环次数之间的关系曲线(见图1)及相关公式(式1),拟合公式曲线与试验值吻合良好,相关系数为R2=0 994。

En=-3 57+3 50e n122(1)式中, En=E-EnE=f2-f2nf2100%,为经n次冻融循环后试件相对动弹性模量的损失率(%),其中En和E分别为n次冻融作用后和未冻融混凝土的弹性模量,fn和f分别为n次冻融作用后和未冻融混凝土试件的横向基频(H z)。